CN101598550A - 基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法，在投影轨迹法的理论基础上，基于卫星影像核线在影像范围内的近似直线性和局部共轭性，采用直线线对简化表示每对同名核曲线。基于该方法生成近似核线影像，具有简单、实用、通用性强的特点。对多种地形条件的卫星立体影像的实验结果表明，在影像定向参数精度较高的情况下，该方法能够生成子像素级上下视差的近似核线影像。目前，该方法已被成功应用于卫星影像的立体更新和DEM自动生成软件模块中，具有较高的应用价值。实践证明了该方法的正确性、可行性和通用性。

Description

基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法。该方法基于卫星影像核线在立体影像范围内的近似直线性和局部共轭性，采用直线线对近似表示每对同名核曲线，具有简单实用、速度快、通用性强的特点。

背景技术

线阵CCD推扫式成像传感器已成为当前和未来高分辨率遥感卫星的重要载荷，由于遵循一种多中心行扫描成像方式，像点与物点之间的严格几何关系至今仍然很难完全建立，因此对卫星影像不可能像框幅式影像那样给定严格的核线定义。尽管如此，由于高分辨率卫星大多具备立体成像能力，核线影像在卫星影像立体测图和自动DEM生成等应用中仍然具有重要的价值，因此对卫星影像近似核线重排方法的研究一直是航天摄影测量领域的热点课题之一。已有的方法有基于同名像点坐标多项式拟合的近似核线生成方法和基于平行投影成像模型的近似核线生成方法。然而，前者需要在原始立体影像上匹配足够数量的同名点，且非线性的核线模型表达形式给核线重采样计算带来了一定的复杂度，缺乏实用性和通用性，后者也需要基于一定数量的影像同名点确定平行投影影像的核线方向，并且方法只适用于传感器视场角非常小的情况。如何直接基于传感器成像几何模型快速生成核线影像仍然是卫星立体影像几何处理所面临的主要问题之一。

基于投影轨迹法给出的核线定义，可以直接由传感器几何模型定向参数构建卫星立体影像的近似核线模型。相对于其它方法构建的近似核线模型，其在理论上要更为严密。在该近似核线模型及其几何特性的研究方面，目前已经得出了大量有价值的结论。然而，由投影轨迹法和传感器几何模型定向参数所定义的近似核线模型是非线性的且带有大量参数，因而对近似核线的重排目前大多采用一种实时的局部重采样模式；但从某种程度上讲，为了获得良好的全局立体视觉效果，提高立体匹配及其它与核线相关的应用效率，直接由原始立体影像生成高质量的核线影像是当前一个重要的应用发展趋势。因此，基于卫星影像核线在立体影像范围内的近似直线性和局部共轭性，采用直线线对近似表示每对同名核曲线，并由此提出了一种实用的基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法。为了验证该方法的正确性和可行性，对多种地形条件的卫星影像数据进行了实验。结果表明，在影像定向参数精度较高的情况下，该方法能够生成子像素级上下视差的核线影像。基于该方法对卫星影像进行核线重排，不仅快速简单、实用性强，并且具有一定的通用性。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法。该方法基于卫星影像核线在立体影像范围内的近似直线性和局部共轭性，采用直线线对近似表示每对同名核曲线，对原始立体影像进行近似核线重排后，可生成高精度的近似核线影像。该方法快速简单、易于实现，且具有较强的通用性。

本发明提供的技术方案是：一种基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法，包括以下步骤：

一、对于卫星立体像对，令f₁ ^L为左影像传感器成像几何模型坐标正解函数，f₂ ^L为左影像传感器成像几何模型坐标反解函数，f₁ ^R为右影像传感器成像几何模型坐标正解函数，f₂ ^R为右影像传感器成像几何模型坐标反解函数。卫星立体像对的左右原始影像的像点坐标系o_xy的原点位于影像左上角，x坐标值对应像点所在的列号(沿CCD线阵方向)，y坐标值对应像点所在的行号(沿轨道推扫前进方向)。核线影像的影像坐标系o_x′y′的原点位于影像左上角，x′坐标值对应像点所在的列号(沿核线方向)，y′坐标值对应像点所在的行号(垂直于核线方向)，左右核线影像上同名核线的行号相同。卫星立体像对左影像的列数和行数分别为Sm和Lm。

对于同轨立体影像，令重排后左右核线影像上第i(i＝1，2，...Sm)行像素所对应的左右原始影像同名核线的近似直线方程为x＝A₁y+B₁和x＝A₂y+B₂，基于原始左影像上像点坐标为(Sm-i，int(Lm/2))的像点a按照下列步骤计算方程系数A₁，B₁，A₂，B₂：

(1)令卫星立体影像地面覆盖区域的最大椭球高为H_MAX，最小椭球高为H_MIN，平均椭球高为H，物点1和物点2是像点a摄影光线上的两点，分别对应高程值H₁和H₂，这里，H＜H₁≤H_MAX，H_MIN≤H₂＜H。分别基于式(1)和(2)计算物点1和点2的大地坐标；

(Lat₁，Lon₁)＝f₁ ^L(Sm-i，int(Lm/2)，H₁)(1)

(Lat₂，Lon₂)＝f₁ ^L(Sm-i，int(Lm/2)，H₂)(2)

上面函数式中：

(lat₁，lon₁，H₁)为点1的大地坐标；

(lat₂，lon₂，H₂)为点2的大地坐标；

(2)令物点1和2在右影像上的像点分别为b和c，分别基于式(3)和(4)计算像点b和c的像素坐标；

(S_b，L_b)＝f₂ ^R(Lat₁，Lon₁，H₁)(3)

(S_c，L_c)＝f₂ ^R(Lat₂，Lon₂，H₂)(4)

上面函数式中：

(S_b，L_b)为点b的像点坐标；

(S_C，L_C)为点c的像点坐标；

(lat₁，lon₁，H₁)为点1的大地坐标；

(lat₂，lon₂，H₂)为点2的大地坐标；

(3)令物点3对应像点c摄影光线上高程值为H₁处的一点，基于式(5)计算得到点3的大地坐标；

(Lat₃，Lon₃)＝f₁ ^R(S_c，L_c，H₁)(5)

上面函数式中：

(S_C，L_C)为像点c的像点坐标；

(lat₃，lon₃，H₁)为物点3的大地坐标；

(4)令物点3在左影像上的像点为d，基于式(6)计算像点d的像素坐标；

(S_d，L_d)＝f₂ ^L(Lat₃，Lon₃，H₁)(6)

上面函数式中：

(S_d，L_d)为像点d的像点坐标；

(lat₃，lon₃，H₁)为物点3的大地坐标；

(5)用(S_a，L_a)表示像点a的像点坐标，基于式(7)计算方程系数A₁，B₁，A₂，B₂。

A₁＝(S_a-S_d)/(L_a-L_d)，(L_a≠L_d)

B₁＝S_a-A₁L_a

A₂＝(S_b-S_c)/(L_b-L_c)，(L_b≠L_c)(7)

B₂＝S_b-A₂L_b

基于步骤(1)～(5)，依次计算左右核线影像上每一行像素对应的左右原始影像同名核曲线近似直线方程。

同理，对于异轨立体影像，令重排后左右核线影像上第i(i＝1，2，...Lm)行像素所对应的左右原始影像同名核线的近似直线方程为y＝C₁x+D₁和y＝C₂x+D₂，方程系数C₁，D₁，C₂，D₂则由原始左影像上像点坐标为(int(Sm/2)，i)的像点确定。计算步骤与同轨立体影像相同。

二、基于同名核曲线的近似直线方程对原始立体像对进行核线重排，即根据所确定的同名曲核线近似直线方程，基于灰度一维线性内插实现对原始立体影像的近似核线重排，生成左右核线影像。

本发明基于卫星影像核线在立体影像范围内的近似直线性和局部共轭性，采用直线线对近似表示每对同名核曲线，基于该方法生成近似核线影像，具有简单实用、快速、通用性强的特点。对多种地形条件、多种模式下的卫星立体影像数据的试验结果证明了该方法的可行性。在影像定向参数精度较高的情况下，能够生成子像素级上下视差的近似核线影像。基于这种基于投影轨迹的卫星影像快速核线重排方法生成近似核线影像，具有简单、实用、通用性强的特点。目前，该方法已被成功应用于卫星影像的立体测图和DEM自动生成软件模块中。

附图说明

图1为基于直线形式近似表达的卫星立体像对同名核线定义示意图(以同轨立体影像为例)；

图2为左右原始影像和左右核线影像的像点坐标关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

第一步：计算同名核曲线的近似直线方程。

如附图1所示，对于卫星立体像对左影像上的任意像点a，采用以下方式定义其左右同名核线：假设测区平均椭球高为H，物点1和物点2是像点a摄影光线上的两点，分别对应高程H+h和H-h，h的取值在测区高程范围内灵活给定；物点1和2在右影像上的像点分别为b和c；物点3对应像点c摄影光线上高程为H+h处的一点，同时物点3在左影像上的像点为d；Ea、Eb、Ec和Ed分别对应像点a、b、c和d的摄影中心。此时，基于核线在影像范围内的近似直线性和局部共轭性，像点a所确定的左右影像同名核线可以用直线ad、bc简化表示。

如附图2所示，原始左影像列数和行数分别为Sm和Lm，M和N代表原始左右影像，M′和N′代表重排后的左右核线影像。卫星立体像对的左右原始影像的像点坐标系o_xy的原点位于影像左上角，x坐标值对应像点所在的列号(沿CCD线阵方向)，y坐标值对应像点所在的行号(沿轨道推扫前进方向)。核线影像的影像坐标系o_x′y′的原点位于影像左上角，x′坐标值对应像点所在的列号(沿核线方向)，y′坐标值对应像点所在的行号(垂直于核线方向)，左右核线影像上同名核线的行号相同。卫星立体像对左影像的列数和行数分别为Sm和Lm。对于卫星立体像对，令f₁ ^L为左影像传感器成像几何模型坐标正解函数，f₂ ^L为左影像传感器成像几何模型坐标反解函数，f₁ ^R为右影像传感器成像几何模型坐标正解函数，f₂ ^R为右影像传感器成像几何模型坐标反解函数。

对于同轨立体影像，令重排后左右核线影像上第i(i＝1，2，...Sm)行像素所对应的左右原始影像同名核线的近似直线方程为x＝A₁y+B₁和x＝A₂y+B₂，基于原始左影像上像点坐标为(Sm-i，int(Lm/2))的像点a按照下列步骤计算方程系数A₁，B₁，A₂，B₂：

(1)令卫星立体影像地面覆盖区域的最大椭球高为H_MAX，最小椭球高为H_MIN，平均椭球高为H，物点1和物点2是像点a摄影光线上的两点，分别对应高程值H₁和H₂，这里，H＜H₁≤H_MAX，H_MIN≤H₂＜H。分别基于式(1)和(2)计算物点1和点2的大地坐标；

(Lat₁，Lon₁)＝f₁ ^L(Sm-i，int(Lm/2)，H₁)(1)

(Lat₂，Lon₂)＝f₁ ^L(Sm-i，int(Lm/2)，H₂)(2)

上面函数式中：

(lat₁，lon₁，H₁)为点1的大地坐标；

(lat₂，lon₂，H₂)为点2的大地坐标；

(2)令物点1和2在右影像上的像点分别为b和c，分别基于式(3)和(4)计算像点b和c的像素坐标；

(S_b，L_b)＝f₂ ^R(Lat₁，Lon₁，H₁)         (3)

(S_c，L_c)＝f₂ ^R(Lat₂，Lon₂，H₂)         (4)

上面函数式中：

(S_b，L_b)为点b的像点坐标；

(S_C，L_C)为点c的像点坐标；

(lat₁，lon₁，H₁)为点1的大地坐标；

(lat₂，lon₂，H₂)为点2的大地坐标；

(3)令物点3对应像点c摄影光线上高程值为H₁处的一点，基于式(5)计算得到点3的大地坐标；

(Lat₃，Lon₃)＝f₁ ^R(S_c，L_c，H₁)(5)

上面函数式中：

(S_C，L_C)为像点c的像点坐标；

(lat₃，lon₃，H₁)为物点3的大地坐标；

(4)令物点3在左影像上的像点为d，基于式(6)计算像点d的像素坐标；

(S_d，L_d)＝f₂ ^L(Lat₃，Lon₃，H₁)(6)

上面函数式中：

(S_d，L_d)为像点d的像点坐标；

(lat₃，lon₃，H₁)为物点3的大地坐标；

(5)用(S_a，L_a)表示像点a的像点坐标，基于式(7)计算方程系数A₁，B₁，A₂，B₂。

A₁＝(S_a-S_d)/(L_a-L_d)，(L_a≠L_d)

B₁＝S_a-A₁L_a

A₂＝(S_b-S_c)/(L_b-L_c)，(L_b≠L_c)(7)

B₂＝S_b-A₂L_b

基于步骤(1)～(5)，依次计算左右核线影像上每一行像素对应的左右原始影像同名核曲线近似直线方程。

同理，对于异轨立体影像，令重排后左右核线影像上第i(i＝1，2，...Lm)行像素所对应的左右原始影像同名核线的近似直线方程为y＝C₁x+D₁和y＝C₂x+D₂，方程系数C₁，D₁，C₂，D₂则由原始左影像上像点坐标为(int(Sm/2)，i)的像点确定。计算步骤与同轨立体影像相同。

第二步：基于同名核曲线的近似直线方程对原始立体像对进行核线重排。

根据所确定的同名曲核线近似直线方程，基于灰度一维线性内插(张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，1997.127-128)实现对原始立体影像的近似核线重排，生成左右核线影像。

Claims (1)

1.基于投影轨迹的卫星立体影像近似核线重排快速方法，包括以下步骤：

一、采用直线线对近似表示卫星立体影像每对同名核曲线，并按照下列步骤计算每对同名核曲线的近似直线方程；

对于卫星立体像对，令f₁ ^L为左影像传感器成像几何模型坐标正解函数，f₂ ^L为左影像传感器成像几何模型坐标反解函数，f₁ ^R为右影像传感器成像几何模型坐标正解函数，f₂ ^R为右影像传感器成像几何模型坐标反解函数；卫星立体像对的左右原始影像的像点坐标系o_xy的原点位于影像左上角，x坐标值对应像点所在的列号，y坐标值对应像点所在的行号；核线影像的影像坐标系o_x′y′的原点位于影像左上角，x′坐标值对应像点所在的列号，y′坐标值对应像点所在的行号，左右核线影像上同名核线的行号相同；卫星立体像对左影像的列数和行数分别为Sm和Lm；

对于同轨立体影像，令重排后左右核线影像上第i(i＝1，2，...Sm)行像素所对应的左右原始影像同名核线的近似直线方程为x＝A₁y+B₁和x＝A₂y+B₂，基于原始左影像上像点坐标为(Sm-i，int(Lm/2))的像点a按照下列步骤计算方程系数A₁，B₁，A₂，B₂：

(1)令卫星立体影像地面覆盖区域的最大椭球高为H_MAX，最小椭球高为H_MIN，平均椭球高为H，物点1和物点2是像点a摄影光线上的两点，分别对应高程值H₁和H₂，H＜H₁≤H_MAX，H_MIN≤H₂＜H；分别基于式(1)和(2)计算物点1和点2的大地坐标；

(Lat₁，Lon₁)＝f₁ ^L(Sm-i，int(Lm/2)，H₁)            (1)

(Lat₂，Lon₂)＝f₁ ^L(Sm-i，int(Lm/2)，H₂)            (2)

上面函数式中：

(lat₁，lon₁，H₁)为点1的大地坐标；(lat₂，lon₂，H₂)为点2的大地坐标；

(2)令物点1和2在右影像上的像点分别为b和c，分别基于式(3)和(4)计算像点b和c的像素坐标；

(S_b，L_b)＝f₂ ^R(Lat₁，Lon₁，H₁)                    (3)

(S_c，L_c)＝f₂ ^R(Lat₂，Lon₂，H₂)                    (4)

上面函数式中：

(S_b，L_b)为点b的像点坐标；

(S_C，L_C)为点c的像点坐标；

(lat₁，lon₁，H₁)为点1的大地坐标；

(lat₂，lon₂，H₂)为点2的大地坐标；

(3)令物点3对应像点c摄影光线上高程值为H₁处的一点，基于式(5)计算得到点3的大地坐标；

(Lat₃，Lon₃)＝f₁ ^R(S_c，L_c，H₁)                    (5)

上面函数式中：

(S_C，L_C)为像点c的像点坐标；(lat₃，lon₃，H₁)为物点3的大地坐标；

(4)令物点3在左影像上的像点为d，基于式(6)计算像点d的像素坐标；

(S_d，L_d)＝f₂ ^L(Lat₃，Lon₃，H₁)                    (6)

上面函数式中：

(S_d，L_d)为像点d的像点坐标；

(lat₃，lon₃，H₁)为物点3的大地坐标；

(5)用(S_a，L_a)表示像点a的像点坐标，基于式(7)计算方程系数A₁，B₁，A₂，B₂。

A₁＝(S_a-S_d)/(L_a-L_d)，(L_a≠L_d)

B₁＝S_a-A₁L_a                       (7)

A₂＝(S_b-S_c)/(L_b-L_c)，(L_b≠L_c)

B₂＝S_b-A₂L_b

基于步骤(1)～(5)，依次计算左右核线影像上每一行像素对应的左右原始影像同名核曲线近似直线方程；

同理，对于异轨立体影像，令重排后左右核线影像上第i(i＝1，2，...Lm)行像素所对应的左右原始影像同名核线的近似直线方程为y＝C₁x+D₁和y＝C₂x+D₂，方程系数C₁，D₁，C₂，D₂则由原始左影像上像点坐标为(int(Sm/2)，i)的像点确定；计算步骤与同轨立体影像相同；

二、基于同名核曲线的近似直线方程对原始立体像对进行核线重排，即根据所确定的同名曲核线近似直线方程，基于灰度一维线性内插实现对原始立体影像的近似核线重排，生成左右核线影像。

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